思维导图在以学生为中心的数据结构课程教学中的探讨与实践

夏仁强

（贵州工程应用技术学院信息工程学院，贵州 毕节 551700）

1 数据结构教学现状及存在的问题

数据结构既是计算机类专业的基础课程，又是计算机类专业的核心课程，在专业人才培养目标中处于金字塔的底层。数据结构课程理论性强、程序设计基础要求高，学生普遍觉得课程内容枯燥乏味[1]，理解困难。该课程的前导课程是高级语言程序设计，有些学生在学习程序设计课程时因接受能力、自身的差异等因素，对于指针、结构体、链表和递归等理论知识理解不透彻，导致在数据结构的学习中遇到的障碍和压力越来越大，产生厌学情绪，逐渐对课程失去兴趣。

传统的数据结构课程教学方式以教师讲授为主，教学内容陈旧、案例老旧，教学方法和手段单一，教学情境缺失，学生缺乏思考的时间，教学没有创新。首先，教学环境方面，以往的编程教学以单机操作为主,有时候一个问题还有多种不同的算法去实现，学生往往没有精力去按等价类方法设计多个测试用例，仅仅完成一个测试用例来验证程序的正确性，所设计的算法的正确性、可行性和高效性得不到保证，在有限的时间里老师指导学生的次数有限，指导的质量也有限，即使投入了大量的时间和精力，也是收效甚微。其次，重理论、轻实践思想严重，注重理论知识的讲解，理论与实践结合不够，在传统的实验教学环节中体现更多的是低阶的基础性、验证性的实验，对于体现能力的设计性、提高性实验偏少，缺乏挑战度和高阶性，不利于学生深度学习。另外，传统的课程考核方式是以期末笔试为主，以考勤和作业作为平时成绩的过程考核为辅，考试内容以理论为主，编程解决实际问题的题目偏少，过程性考核没有足够的激励措施激发学生的学习兴趣；在期末考试前，有些老师还会为学生划重点，导致很多学生因考而学，不考的内容不学，认为通过考试便达到了学习目标，在临近考试时常常为了期末考试去背理论知识、去背程序代码，学生存在考试前背一背就过的思想，最后可能出现高分低能的现象。

2 学生中心的教学理念

1998年，联合国教科文组织倡导“以学生为中心”的教学新理念[2]，教学主体不再是老师，而是学生，不是以教师教学方法的好坏来评价教学效果，而是以学生学习成效来评价教学效果。以学生为中心已在教育界形成共识，成为主流教育理念。2016年，英国政府试点教育卓越框架[3]，强调以“学生为学习中心”的理念，每4年评价一次，截至2020年，两轮的评价取得了较好效果，在英国高校教育界引起了巨大的反响，极大地影响了英国高校教学的生态。以学生为中心的各种模式不断涌现，如问题导向教学模式、探究式教学模式和情境教学法等。加拿大最早创建了BOPPPS的教学模型[4]，它将教学过程分为六个环节，第1个环节是Bridge-in（引入），教师通过故事、游戏、影视、热门话题、问题等各种方式进行引入，引起学生对知识的好奇心，激发学生学习兴趣，主动投入学习；第2个环节是Objective（学习目标），教师用板书、PPT、思维导图等方式向学生传达具体而明确的的学习目标；第3个环节是Pre-assessment（前测），测试学生课前预习的情况，了解学生掌握预备知识的情况，以便教师及时调整教学内容的深度和广度[5]；第4个环节是Participatory Learning（参与式学习），这是最重要和最核心的环节，教师设置小组研讨、游戏、抢答、随机提问等多种学习活动，让学生行动起来，积极主动参与课堂互动学习；第5个环节是Post-assessment（后测），通过测试检验学生是否达成本次课的教学目标，及时反馈学习成效，为持续改进奠定基础[6]；第6个环节是Summary（总结），教师根据学习成效反思本节课的教学不足和亮点，同时，布置课后作业，让学生完成课堂巩固。这六个环节简称BOPPPS[6]。在网络发达的今天，线上网络教学平台的出现，线上线下混合式教学让BOPPPS教学模式在国内外取得了巨大的成功。

3 思维导图

思维导图主要由图像、关键词、分支和色彩四个要素构成[7]；它是一种发散性的可视化思维整理工具，能够将枯燥的文字内容通过图形与文字的方式更加生动、一目了然地呈现出来；它强调关键词，简明扼要，以树形结构呈现，结构清晰，主题之间的层级关系、知识之间的内在联系表现更形象具体，有助于最大限度挖掘大脑记忆潜能。今天，思维导图被广泛应用于工作、生活和学习的各种活动中，极大地提高了工作效率和学习效率。研究表明：记忆事物时，在文字的基础上加上图表可以大幅增加文字的信息容量；关键词的运用，可以减少文字内容的堆砌；分支上写上关键词，它体现了从主干慢慢发散思考的过程，利用色彩可以刺激大脑，增强人的注意力,促进传达信息，提升创造力和记忆力[8]。

4 思维导图在基于BOPPPS的数据结构课堂教学设计中的实践

本课程按照6个教学环节设计和实施教学活动。在实际教学过程中并不是完全照搬BOPPPS模式，而是结合课程的特点对这种模式进行优化。

思维导图直观性和可视化的特点，能够迅速集中学生注意力，使其迅速融入课堂学习。在课程教学中应用思维导图，将知识按层次整理，突出重点，突破难点，突出知识之间的相互关系，能全方位刺激左右脑，开启大脑潜能[9]。现以数据结构课程教学为例，探讨思维导图在课前、课中和课后基于BOPPPS模式的教学法的应用。

4.1 课前准备阶段

课前准备阶段是一个关键阶段，课前的学习情况直接关系着课中的教学深度和广度，也关系着学生教学活动参与的有效性。这个阶段教师用思维导图布置课前学习任务，引导学生完成资料查询、观看视频任务、课前测试，为课堂正式讨论做好准备工作。图1所示的思维导图是数据结构课程“绪论”课前学习任务，该思维导图围绕绪论这一中心主题展开，直观传达各学习任务，使学习有的放矢。教师版的思维导图，学习任务明确，学习目标明确，在实施小组讨论时不会偏离主题。而在学生个人版的思维导图中，将教师的版本进行深化，将“举例”的地方换成具体的例子，每个学生举的例子可能不同，对于未弄懂的知识点分别打上标记，同时列出问题清单。而在组织算法高效性内容的学习时，教师可先用表格列出任务清单，然后指导学生完成小组版的思维导图。图2是小组讨论思维导图架构图，对于每一个讨论主题，小组明确一名记录人员，负责记录整理小组讨论过程性文档。在协作学习过程中，小组学生在思维导图上不断地进行讨论、完善和补充，不断更新讨论结果。由于在课中时会随机选择小组成员表达小组观点，这要求小组每个成员都能理解并能表达小组观点，这样做的好处是小组成员实现共同进步而不是完全依赖小组内某一个人，学生在经过头脑风暴的洗礼后，不断提高协作学习能力，补充有益的知识结构。

图1 绪论-课前思维导图

图2 思维导图讨论架构

4.2 课中参与式学习阶段

在参与式学习阶段，教师主要是利用智慧教学平台引导和组织学生参加教学活动，如主题研讨、随堂练习、选人、抢答、分组讨论和互评等。如何设置活动，设置什么问题，活动环节等是参与式学习活动的关键。

教师可根据课中参与式教学活动的需要，设计课中思维导图并运用到BOPPPS的教学模式中。

以绪论为例，设计思维导图如图3，首先通过一个猜数游戏导入新课，学生两人一组完成猜数游戏，游戏结束后，随机选择几名同学回答猜数的过程以及猜中时所用到的提示次数，教师再随机选择一名学生与教师一起用二分方法进行猜数游戏，然后教师对游戏过程及结果进行点评，同时引出数据结构及算法的概念。接着，通过课前收集或反馈的问题以抢答方式进行答疑，教师评价回答情况，对错误的回答由教师来纠正，不完整的回答由教师或其他学生来补充。教师通过选人、抢答、讨论等多种教学活动对本章节的知识点的开展以学生为中心的教学。在讨论过程中，学生以提前准备好的问题和写好的想法参与研讨，发表自己的观点，针对遇到的问题，师生互动进行深入讨论。

图3 绪论-课中学习思维导图

在学生进行讨论的时候，教师用思维导图作为思维支架，可以有效地引导他们使小组讨论中的目标更加清晰，还可以更好地让没有思路的同学产生观点，同时能够可视化小组成员的思考，更好地进行总结。在小组代表进行小组成果展示时，也可以让更多的学生去自信有效地分享小组讨论成果，同时快速收获到其他小组的不同观点。图4是小组讨论成果展示的思维导图，这是思维碰撞的结果。另外，教师也可以在学生高效回答的基础上检视学生的收获，更好地引导和总结。组与组之间可以在讨论成果的基础上达成共识，互相补充，形成全面的观点，提升学习效果。在小组思维导图的引导下，各组还可以进行PK，展示自己的最佳方案，充分表达自己的观点，激励团队争先创优、共同进步。

图4 小组思维导图形式的成果展示

4.3 课后巩固提高阶段

课后，将从以下两个方面进行拓展和巩固

4.3.1 分组讨论

教师发布分组任务，要求小组长画出分组讨论的思维导图，在这个思维导图的指导下，实现生生互动，教师时时关注学生讨论情况并给予指导。下一次课中，各组学生代表汇报交流讨论结果，对于不理解的知识点或有不同意见和想法的，重点讨论，教师给予讲评。

4.3.2 编程实践

学生运用课堂所学习的知识，在PTA平台上积极开展数据结构编程实践，是对课堂教学活动成果的检验和拓展延续，是迅速提升学生编程能力的有效途径。图5展示了数据结构绪论课后学习思维导图。在编程题练习中，采用自主学习和同伴学习相结合的方式，每个学习小组中，都有一名参加过ACM竞赛的优秀学生充当“师傅”，当遇到问题时，“师傅”带领“徒弟”进行讨论学习，解决学习中遇到的部分或全部问题，对于通过率较低的问题教师通过钉钉、腾讯课堂、QQ等线上讲解。此外，同学们需要通过PTA、学习通或雨课堂完成后测，最后进行总结。

图5 绪论-课后学习思维导图

4.4 思维导图进行教学反思

课堂教学结束后，教师深入剖析教学行为以及教学结果，画出教学反思的思维导图，按主题分类、分解、细化各层级反思内容，如图6所示。

图6 思维导图教学反思

教学的本质是促成课程目标的达成，提高学生成绩，增强学生解决问题的能力，所以教师应在教学中总结好的做法并继续发扬光大，同时找出教学中存在的不足，倾听学生的问题和建议，合理采纳学生建议。课堂教学是否取得了成功，教学方法是否引起师生共鸣，学习活动设计是否能激发学生的学习兴趣，学习活动的设计是否恰当可行，课程思政的引入是否自然、切题,是否体现了学生为中心的教学理念，是否达成了课程教学目标达成度，学生有没有值得推广的创新学习方法，这些都是我们需要进行反思的内容。

综合统计课前、课中和课后的学习数据，分析每个学生的不足，建好学习档案，针对性解决学生的问题。另外，通过调研收集学生反馈的问题意见，合理采纳学生建议，调整教学策略，重构教学设计，实现教学效果更上一层楼。

5 教学效果分析

笔者采用传统教学模式和基于思维导图的BOPPPS教学模式在教授课程数据结构上进行了教学实验，表1是对19计科本、20计科本、20大数据本等班级授课实验对比的结果。根据统计结果来看，基于思维导图的BOPPPS教学模式的课程教学能够明显增强学生自主学习能力和课程参与度,学生满意度明显提高，学生对数据结构课程的理解和应用能力得到增强，通过调研和考核成绩的反馈，该教学方法有助于学生对课程整体知识点的掌握，有助于清晰了解课程重、难点，期末考试编程得分率也证明了采用思维导图以及学生中心的教学班级编程能力都优于未采用该方法的班级。

表1 授课结果对比表

6 结论

思维导图在师生之间以及生生之间的交流互动活动中起到了桥梁作用。课前思维导图引导学生为观看视频任务、思考和讨论作好准备，课中思维导图引导和组织学生完成参与式教学活动，课后思维导图通过分组讨论和编程实践对所学知识进行拓展和巩固。总之，在基于BOPPPS的数据结构教学中引入思维导图有助于培养学生的发散思维能力、创新能力和小组协作能力。